浅析天然沙砾石基层的应用

自二十世界七十年代初，舒城县公路部门的工程技术人员利用丰厚的沙砾石资源优势，探索出一种新型公路基层――天然沙砾石基层，取得了非常好的经济和社会效益。

一、天然沙砾石简介及路用指标。

天然沙砾石指在自然河流中经过流水漂洗、混和作用后形成的具有一定级配的沙砾混合体，这种混合体我们一般称作混合料。

天然沙砾石混合料主要成分是具有足够强度的砾石，另外是部分比例的的硅砂和少量泥沙。对于其中占大部分含量的砾石，要求其风化程度低，压碎值指标不大于30；≥5mm以上粒径的粗骨料必须多于60%重量比，且25mm以上粒径的粗骨料必须高于30%重量比，其最大粒径≤0.8倍基层厚度并小于200mm，过大必须剔除。同时，沙砾混合料中的细长状和扁平状石子含量必须控制在≤5%重量比之内，泥砂和有机杂质应不大于10%。

对于各级粒径以上的重量比要求，主要是为了在混合料铺筑以后，能形成嵌锁密实的结构层，以承载车辆荷载的作用，而对最大粒径的控制，是为了嵌锁骨架的稳定度和平整度。同时，因为粗骨料在基层中起骨架作用，为了保证基层强度，砾石中的软弱成分――针、片状石子含量必须严格控制。在我县沙砾石基层的工程实践中，一般地常选用南港大河和杭埠河中的天然沙砾，其筛分结果见表：

从表中可见：

1#试样≥25mm粒径的重量比为32%，≥5mm粒径的含量占57%，≤1.25mm

粒径的砂量占31%。由此可见，该料试样分析结果基本符合要求，但稍嫌细小，即细集料含量稍高。此料为南港大河混合料。

2#试样≥25mm粒径的粗骨料含量为37%，≥5mm粒径的骨料含量占总重量的61%，1.25mm以下的砂量占总重量的28%。分析结果表明，该混合料是非常符合标准的，但要注意的是，40mm以上粒径的粗骨料中，大粒径超过200mm的卵（砾）石必须剔除。该试样取自晓天大河的清水河段。

这些天然沙砾混合料直接取于河道沙滩，它具有的级配是天然的。因此难免在粗细度上有不同，即使是同一河道上的不同河段，其级配范围也有很大的不同，而道路上使用量非常大，不可能完全取自同一地点。因此，在使用这种混合料时，工程技术人员在施工时要注意现场的验收、检查，以确保路面结构的强度要求。

二、结构分析：

1、结构组成类型：

工程实践表明，松散无凝聚力的沙砾混合料，在没有任何添加剂的条件下，仅经过洒水强制碾压后，即可成型并具有相当强的抗荷载能力，其板体性效果也随着行车作用而有微小的加强，为什么会如此呢？

首先还是让我们来看看天然沙砾混合料的级配情况，利用前面的筛分结果，可以绘出两种试样混合料的级配曲线如图

利用上图，我们可以看出：

⑴两条曲线并不非常光滑，但没有明显的断级现象，属于典型的连续级配曲线，我们可以认为，两试样所代表的混合料具有连续级配的规律。

⑵该两试样的曲线同泰波公式P=100（ ）n所代表的曲线相比较，试样级配曲线大致相当于n=0.32、n=0.4时的泰波线，由此，我们可以得出这样的结论，上述两种混合料的天然级配规律是符合理论上的最大密实度要求的。泰波公式中：

P―通过筛孔直径为d(mm)矿料的重量百分比

D―矿质混合料的最大粒径（mm）

d―欲计算的某级矿质集料粒径（mm）

由上述两点，我们可以认为：

天然沙砾铺装的基层结构是一种密实型结构。这种密实型结构是由多种不同粒径搭配的砂、砾石组成，正是这种不同粒径组分在压实过程中互相密实充填，才使得这种基层在充分压实后能够达到较小的空隙率，在压实度达95%以上时，具有相当的强度和稳定度。同时，充填密实，颗粒稳定，又使得该基层在行车荷载作用下，不会产生错动和脆性破坏，从而使得该结构又具有了良好的时间稳定性；随着时间的推移和行车荷载的作用，结构残余空隙率会缓慢变小，密实度有所增加，从而获得小比例的强度提升。这表现在沙砾混合料基层的弯沉连续测记录中，其弯沉量逐年小幅降低上。

2、结构内部形式试析及不良材料的改良：

沙砾石混合料基层的主要成分为石子和砂，随着各种粒径的组分不同，其内部结构必然不同，也就对其路用性能产生很大的影响，这种影响主要表现在基层压实度和抗荷能力及弹性变形能力上，沙砾混合料基层的内部结构随着混合料组分不同大致可分为三种：

⑴5mm粒径以下的组分超过总量的50%以上，即5mm通过百分率大于50时，其粗骨料分散于细集料之中，不能互相嵌挤。因此，这种形式的基层较难成型，特别是结构层上部15cm左右一层的强制压实效果不佳，这主要是因为该范围内的无粘性颗粒在没有嵌锁力的作用下，在压实过程中会形成疏松态，而且过度压实不仅不会提高其压实度，反而会破坏其表面层的粗骨料，降低其强度。但是这种结构形式在充分洒水后，用小吨位振碾，会有好的密实度，但其抗荷载和抗破坏能力显然不能尽如人意。

工程实践中，如果遇到这种组分的沙砾混合料，可以根据筛分结果，采取掺加不同的粗骨料的办法来对其进行改良，以降低其5mm通过百分率达到40%以下为度。

⑵5mm通过百分率小于10%时，其细集料较少，即使其粗骨料各级比例适当，会形成嵌锁，但其空隙率非常大，稳定性差，降低了基层内摩阻力，在行车荷载作用下，容易发生脆性破坏，因此，这种结构为脆性结构。实践中碰到这样的混合料时，应针对其细集料含量偏低的缺点，掺沙或小颗粒集料进行改良，直至其细集料含量达20%以上为度。当这种混合料粗颗粒各级粒径组分比例不当，则在压实时不能成型，应弃置不用。

⑶各级粒径比例适当，粗细颗粒分布均匀，此时，铺筑的基层会形成粗颗粒互相嵌挤，细颗粒均匀充填在各级粗颗粒之间的空隙中的嵌锁密实结构状态。良好的沙砾石基层通常都是这种骨架为粗颗粒相互嵌锁、细颗粒集料逐级充填空隙而且非常密实的基层。这种结构由于主骨架的嵌锁力增强了基层的抗剪切能力，密实的细集料起到维护主骨架、增加稳定性并提高其内摩阻力的作用，因而总体呈现出板体性效果较好，能有效地扩散行车荷载并以弹性变形的形式释放外力引起的材料内力的变化。因此，不失为一种良好的基层形式。

三、工程实践中应注意的几个问题：

1、基底处理：

在沙砾石混合料基层补强中，对基底的处理应引起足够的重视。如果在老路面层上进行补强，应将较大较深的坑和水冲沟先行填平，并洒水经压实再进行补强；如果是新路基，特别是膨胀土基上，则一定要先预调好路拱横坡，基底横坡应≥3%，并做好盲沟，以防基层摊铺后的压实洒水破坏土基，从而形成“弹簧”。

2、压实过程和洒水：

天然沙砾石摊铺后，应及时进行初步碾压，这样可以利用天然沙砾的本身含水量，减少洒水量。正如前文所述，天然沙砾基层的强度有很大程度依赖于其密实度，为了提高其强度和板体性，根据“水压砂”的原理，在沙砾基层的压实过程中，洒水是必要的。那么，压实过程中是否象水压砂一样无限制用水呢？事实上是不行的，因为过饱和水不仅会浸湿土基，而且对压路机械的碾压会产生“抗力”，同时，压实后的排水会在沙砾层中产生新的空隙，增大压实以后的残余沉降。因此，洒水要适度，只要发现混合料铺筑体表面或下部边缘开始渗水，则表明水已经饱和，不应再洒，一般地，洒水总量控制在铺装体积的1/3以下。

初步碾压后，洒水碾压成型前，应培护好路肩，这样，碾压机械在碾压时从路两侧向路中碾压，有利于路拱横坡的形成。

3、铺装厚度：

工程实践表明，当沙砾石基层压实厚度超过35cm以上时，再加厚铺装，对其强度没有显著提高，因此，除非需要，一般铺装厚度应宜控制在45cm以下。实际铺装时，松铺厚度以压实厚度H计算，可控制在1.2H~1.25H之内。

总之，天然沙砾石材料为基层材料，工程实践已证实了它良好的工程品质。虽然至目前为止，在理论和计算方面还有问题需要解决，但是，这些问题没有影响到天然沙砾石作为一种良好的基层材料在工程实践中逐步得到认可和推广。

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